煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)及煤巖模型試驗方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，其包括試驗腔、模型成型子系統(tǒng)、液壓加載控制子系統(tǒng)、測試子系統(tǒng)和抽注氣子系統(tǒng)，試驗腔包括加載框架和可拆卸式連接于加載框架一端的反力蓋，加載框架和反力蓋同軸安裝于一底座上，底座上沿加載框架的軸向設(shè)置有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上安裝有可沿導(dǎo)軌滑行的支撐座，加載框架和反力蓋的底部分別安裝有支撐座；模型成型子系統(tǒng)與試驗腔之間可拆卸式連接有用于輸送模型的軌道輸送子系統(tǒng)。本發(fā)明還提供了一種煤巖模型試驗方法。本發(fā)明能夠模擬在地應(yīng)力和瓦斯壓力及綜合多因素作用下鉆孔、造縫、壓裂、煤與瓦斯突出、地下工程開挖支護(hù)等作業(yè)，對加強煤礦與瓦斯突出相關(guān)發(fā)生機理、預(yù)測與控制等提供試驗驗證手段。
【專利說明】
煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)及煤巖模型試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及地質(zhì)力學(xué)模型試驗加載設(shè)備，具體是一種煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟建設(shè)快速發(fā)展，國家對能源的需求越來越大，地下淺層的化石能源越來越少，向深地下發(fā)展已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)巖土工程建設(shè)和開發(fā)的共同趨勢。
[0003]目前國內(nèi)外在煤與瓦斯突出發(fā)生機理、預(yù)測與控制等方面的研究尚未形成完整的理論體系。由于煤巖材料本構(gòu)關(guān)系難以精確地描述，因此數(shù)值模擬方法的結(jié)果尚不能被行業(yè)廣泛認(rèn)可，也并不能直接指導(dǎo)行業(yè)的生產(chǎn)實際，只能被作為輔助研究手段。加之地下空間多物理場、多參數(shù)互相耦合，有限的現(xiàn)場監(jiān)測手段也很難完全地解釋工程中出現(xiàn)的現(xiàn)象和問題。物理模擬試驗方法在科學(xué)研究和解決工程實際問題方面具有特殊的優(yōu)勢，它能針對工程的某一影響因素，突出主要矛盾以真實地模擬主要影響因素對工程影響的程度，從而在機理研究尚不完全清楚的情況下避開“材料本構(gòu)的數(shù)學(xué)描述”，直接利用物理實體的內(nèi)置機理自然地形成試驗過程和結(jié)果，為理論研究提供有力的參考依據(jù)。另外物理模型試驗研究更加突出重點，研究的初始條件純粹而簡明，其試驗過程、試驗結(jié)果與初始條件間具有直接關(guān)聯(lián)性，而這恰恰是現(xiàn)場試驗研究的困難之處。從而，物理模擬試驗有著數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗所不具備的很多優(yōu)勢，其研究結(jié)果可為建立新的理論及其數(shù)學(xué)模型提供可靠的依據(jù)并能與之相互印證。
[0004]因此，物理模擬試驗技術(shù)在國內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用，并在工程科研、設(shè)計及論證中發(fā)揮了重要作用。如中國礦業(yè)大學(xué)、煤炭科學(xué)研究院建井所、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、武漢巖土力學(xué)研究所等一些從事采礦工程和巖土工程問題研究的科研單位和教學(xué)單位都先后開展了物理模型試驗的研究工作，并研制了規(guī)模不等的配套模型試驗設(shè)備。
[0005]如CN103983756 A公開的一種深部巷道圍巖破裂模擬裝置，該裝置包括:縱向加載系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)、模型承載框架;其通過模擬地下的地質(zhì)應(yīng)力環(huán)境，獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而實現(xiàn)對深部巷道圍巖破裂機理進(jìn)行研究分析。如CN 103398861 A公開的及一種用于深埋隧洞的真三軸巖爆物理模擬試驗系統(tǒng)，其由反力架，垂直加載系統(tǒng)、水平前后加載系統(tǒng)和水平左右加載系統(tǒng)組成的真三軸加載系統(tǒng)組成，其可提供三向獨立的、大噸位的荷載滿足深埋高應(yīng)力條件下的模型試驗的加載要求，以及模擬爆破擾動，可應(yīng)用于深埋隧洞的巖爆物理模擬實驗研究中。又如CN 103471926 A公開的一種煤巖真三軸細(xì)觀力學(xué)試驗裝置，在試驗裝置內(nèi)開設(shè)有具有開口的試驗腔，試驗腔內(nèi)的下部安裝有活動墊塊，所述試驗腔的上部和左右兩側(cè)均設(shè)有活動壓塊，三個所述活動壓塊和所述活動墊塊圍成一個四邊形框架，且所述活動壓塊和活動墊塊互相錯位，該裝置可對煤巖進(jìn)行真三軸細(xì)觀力學(xué)試驗，較好地模擬了現(xiàn)場實際煤層耦合所處的環(huán)境。
[0006]但是隨著煤炭開采深度的越來越大，出現(xiàn)的工程問題更加復(fù)雜，如高地應(yīng)力和高氣體壓力聯(lián)合作用下煤層中瓦斯氣體吸附解吸過程和瓦斯流動規(guī)律，瓦斯煤滲透率與有效應(yīng)力、溫度和瓦斯壓力之間的關(guān)系等研究；另一方面對科研設(shè)計水平和計算精度的要求越來越高，現(xiàn)有試驗設(shè)備在功能、加載方式、模型內(nèi)所形成的應(yīng)變場范圍和均勻程度等方面已不能很好地滿足工程實踐的需要。因此，迫切需要研制一種性能優(yōu)良、技術(shù)先進(jìn)、功能多樣化的試驗設(shè)備，以滿足深部煤巖工程及地下工程研究的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)及煤巖模型試驗方法，其能夠?qū)δＰ褪┘硬痪鶆蚴芰Γm用于大尺寸、高應(yīng)力的實驗。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]—種煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，包括試驗腔、模型成型子系統(tǒng)、液壓加載控制子系統(tǒng)、測試子系統(tǒng)和抽注氣子系統(tǒng)，所述試驗腔內(nèi)設(shè)液壓式多維應(yīng)力加載組件，多維應(yīng)力加載組件連接有伺服油源，所述液壓加載控制子系統(tǒng)控制連接伺服油源和抽注氣子系統(tǒng)，測試子系統(tǒng)與液壓加載控制子系統(tǒng)通信連接。所述試驗腔包括加載框架和可拆卸式連接于加載框架一端的反力蓋，所述加載框架和反力蓋同軸安裝于一底座上，所述底座上沿加載框架的軸向設(shè)置有導(dǎo)軌，所述導(dǎo)軌上安裝有可沿導(dǎo)軌滑行的支撐座，所述加載框架和反力蓋的底部分別安裝有支撐座;所述模型成型子系統(tǒng)與試驗腔之間可拆卸式連接有用于輸送模型的軌道輸送子系統(tǒng)。
[0010]進(jìn)一步的，所述加載框架包括與反力蓋同軸的后加載蓋和加載環(huán)組，加載環(huán)組與后加載蓋、反力蓋可拆卸式密封連接且位于后加載蓋和反力蓋之間。所述加載環(huán)組內(nèi)的底側(cè)設(shè)置有水平承放模型的試件臺，多維應(yīng)力加載組件包括設(shè)置在加載環(huán)組內(nèi)壁分別對應(yīng)模型左、右、上表面的均布加載器陣列以及后加載蓋對應(yīng)模型后表面的均布加載器陣列，反力蓋對應(yīng)模型的前表面設(shè)置有前反力板。
[0011]進(jìn)一步的，所述加載環(huán)組與后加載蓋之間連接有過渡環(huán)，后加載蓋、過渡環(huán)、加載環(huán)組和反力蓋的外環(huán)部分通過拉桿沿軸向串接，所述拉桿圍繞試驗腔的軸心均勻分布有多只，拉桿的兩端設(shè)置有拉拔器，且后加載蓋、過渡環(huán)、加載環(huán)和反力蓋間均設(shè)置有定位環(huán)和密封環(huán)；
[0012]進(jìn)一步的，加載環(huán)組和過渡環(huán)的壁上設(shè)置有油路密封連接口和引線密封連接口，均布加載器陣列通過油路密封連接口與伺服油源連接，測試子系統(tǒng)包括由設(shè)置在試驗腔內(nèi)的位移傳感器、油壓傳感器、氣體壓力傳感器、溫度傳感器和應(yīng)力傳感器組成的傳感器測試組，傳感器測試組通過引線密封連接口與液壓加載控制子系統(tǒng)、抽注氣子系統(tǒng)通信連接。所述反力蓋設(shè)有中心孔，所述中心孔內(nèi)襯管套，所述管套的一端與前反力板連接，管套的另一端可拆卸式密封連接有端蓋。
[0013]進(jìn)一步的，所述軌道輸送子系統(tǒng)包括軌道支架，所述軌道支架上設(shè)置有相互垂直的橫向軌道和縱向軌道，縱向軌道位于橫向軌道的上方，縱向軌道包括一端對應(yīng)模型成型子系統(tǒng)的縱向輸送軌，所述縱向輸送軌上設(shè)置有可運行于橫向軌道、縱向軌道上的驅(qū)動小車以及承載模型的平板拖車，驅(qū)動小車驅(qū)動連接平板拖車，所述縱向輸送軌的另一端連接有轉(zhuǎn)向軌。所述橫向軌道包括腔內(nèi)軌和橫向輸送軌，所述腔內(nèi)軌設(shè)置在試驗腔內(nèi)承載模型的試件臺的兩側(cè)，橫向輸送軌的一端與腔內(nèi)軌連接，軌道支架從橫向輸送軌的另一端延伸至轉(zhuǎn)向軌的正下方，轉(zhuǎn)向軌的正下方設(shè)置有可90°往返旋轉(zhuǎn)的升降旋轉(zhuǎn)臺，所述升降旋轉(zhuǎn)臺位于轉(zhuǎn)向軌正下方的導(dǎo)軌支架中且頂部與轉(zhuǎn)向軌的底部固定。所述腔內(nèi)軌的底部設(shè)置有升降油缸，腔內(nèi)軌的升降行程大于平板拖車的底面在腔內(nèi)軌上升至上限時高出試件臺上表面的距離。
[0014]進(jìn)一步的，所述模型成型子系統(tǒng)包括模具箱和反力架，所述反力架通過支柱安裝于一底臺上，反力架包括分配梁，所述分配梁的上面安裝有加壓油缸，分配梁的下面設(shè)有壓頭，所述加壓油缸與壓頭通過穿過分配梁的連接桿連接;所述底臺位于壓頭正下方的部分為一凸臺，所述支柱連接于分配梁與底臺凸臺兩側(cè)的臺階之間，所述凸臺的兩側(cè)與支柱之間各設(shè)有一升降軌，所述升降軌與反力架外的軌道輸送子系統(tǒng)接軌;所述模具箱的底板為平板拖車的底板，模具箱四周的側(cè)板可拆卸式安裝在平板拖車的底板上;升降軌的升降行程大于平板拖車的底面在升降軌上升至上限時高出凸臺上表面的距離。
[0015]進(jìn)一步的，所述液壓加載控制子系統(tǒng)包括POP-M型多通道控制器以及帶有PLC控制器用于電液伺服油源開關(guān)量控制的電控柜，多通道控制器的每一控制通道對應(yīng)控制一個均布加載器的油腔壓力。所述測試子系統(tǒng)還包括靜態(tài)應(yīng)變測試平臺和光纖光柵應(yīng)變測試平臺，每個均布加載器包括多個加載活塞，同一個均布加載器的多個加載活塞共用一個位移傳感器和一對進(jìn)、回油腔的油壓傳感器。
[0016]更進(jìn)一步，本系統(tǒng)還包括可視化子系統(tǒng)，可視化子系統(tǒng)包括設(shè)置在試驗腔內(nèi)的照明設(shè)備和通信連接有數(shù)據(jù)采集器的電腦顯示器，數(shù)據(jù)采集器與測試子系統(tǒng)通信連接。
[0017]更進(jìn)一步，所述抽注氣子系統(tǒng)包括控制器、用于抽氣的真空栗和抽氣電動球閥、以及用于注氣的二氧化碳鋼瓶和注氣電動球閥，所述真空栗和抽氣電動球閥管道連接后再與試驗腔管道連接，氧化碳鋼瓶經(jīng)注氣電動球閥與試驗腔連接，控制器控制連接真空栗和注氣電動球閥。
[0018]本發(fā)明對應(yīng)上述試驗系統(tǒng)，還提供了一種煤巖模型試驗方法，包括以下步驟:
[0019]a:在試驗腔內(nèi)完成應(yīng)力傳感器、應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、瓦斯壓力傳感器和聲發(fā)射傳感器的布設(shè)，上述所有傳感器所測信號為測試子系統(tǒng)實時連續(xù)采集的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度和瓦斯壓力參數(shù)。
[0020]b:在模型成型子系統(tǒng)中成型模型，將模型通過軌道輸送子系統(tǒng)傳送至試驗腔內(nèi)的試件臺上，封閉試驗腔。
[0021 ] c:對模型同步施加三向應(yīng)力，三向應(yīng)力按每級IMPa逐級加載至1MPa，并通過真空栗對試驗腔抽真空，抽真空時間在12h以上，使試驗腔的真空度小于lOOPa，關(guān)閉真空栗，檢驗試驗腔的氣密性，啟動測試子系統(tǒng)。
[0022]d:向試驗腔內(nèi)注入純度大于99.9%的瓦斯氣體至氣壓5MPa，維持該氣壓48小時以上，使模型完全吸附瓦斯氣體，完成注氣過程。
[0023]e:對反力蓋的中心位置設(shè)置模擬開挖通道，由鉆機通過模擬開挖通道對模型進(jìn)行模擬鉆孔，進(jìn)行水力割縫、水力壓裂和水力沖孔驗。
[0024]f:依次卸除施加到模型的氣壓、應(yīng)力，關(guān)閉測試子系統(tǒng)，試驗結(jié)束。
[0025]本系統(tǒng)集模型的制作、輸送、加載、監(jiān)測和分析為一體，實現(xiàn)了加載噸位高、模型尺寸大、功能最全面的三維大型綜合物理模擬平臺。本方案試驗腔采用加載環(huán)組與后加載蓋、反力蓋沿導(dǎo)軌式可拆卸連接的結(jié)構(gòu)，方面對模型進(jìn)行操作和在實驗腔內(nèi)進(jìn)行傳感器的布置;并結(jié)合由多個單獨控制的均布加載器組成的均布加載器陣列對模型進(jìn)行應(yīng)力加載，較好地避免了傳統(tǒng)的試驗系統(tǒng)中采用千斤頂加載壓力均勻性偏差較大，采用柔性囊加載行程偏小、強度偏低的的缺點，能夠精準(zhǔn)穩(wěn)定地實現(xiàn)三向荷載獨立的均勻或非均勻加載。
[0026]本方案通過油路密封連接口和引線密封連接口的密封引出設(shè)計，以及后加載蓋、過渡環(huán)、加載環(huán)和反力蓋間的定位環(huán)和密封環(huán)，保證了試驗腔的密封性，保載時間長，結(jié)合抽注氣子系統(tǒng)實現(xiàn)瓦斯壓力的模擬環(huán)境。通過反力蓋的中心孔結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)模擬鉆孔、造縫、開挖、支護(hù)等作業(yè)。模型成型子系統(tǒng)一來方便制作不同尺寸的模型，其結(jié)構(gòu)合理，方便模型的制作和送出；結(jié)合軌道輸送子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)送機制，安裝就位準(zhǔn)確方便，即使是大噸位的模型，也輸送連貫平穩(wěn)，無需采用吊車等大型設(shè)備。
[0027]本方案還采用智能化POP-M型多通道控制器和測試子系統(tǒng)，智能化控制程度高，信號檢測準(zhǔn)確性高。并通過可視化子系統(tǒng)的照明設(shè)備，方便實驗觀察;通過數(shù)據(jù)采集器實時獲取檢測信息并通過電腦顯示器直觀現(xiàn)實。
[0028]本發(fā)明能夠模擬在地應(yīng)力和瓦斯壓力及綜合多因素作用下鉆孔、造縫、壓裂、煤與瓦斯突出、地下工程開挖支護(hù)等作業(yè)，通過大型模型探索煤層中瓦斯氣體吸附解吸過程和瓦斯流動規(guī)律，研究瓦斯煤滲透率與有效應(yīng)力、溫度和瓦斯壓力之間關(guān)系進(jìn)行試驗;對加強煤礦與瓦斯突出相關(guān)發(fā)生機理、預(yù)測與控制等方面的基礎(chǔ)研究提供科學(xué)的試驗驗證手段，并對建設(shè)“煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制”國家重點實驗室的研究內(nèi)容及方向提供可靠的試驗平臺支撐。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明模擬試驗系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)的俯視圖；
[0030]圖2為圖1中試驗腔的結(jié)構(gòu)正視圖；
[0031 ]圖3為本發(fā)明模擬試驗系統(tǒng)的側(cè)面結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0032]圖4為本發(fā)明后加載蓋的側(cè)面結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0033]圖5為本發(fā)明加載環(huán)的側(cè)面結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0034]圖6為本發(fā)明反力蓋的側(cè)面結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0035]圖7為本發(fā)明軌道輸送子系統(tǒng)的側(cè)面視圖；
[0036]圖8為本發(fā)明模型成型子系統(tǒng)的側(cè)面視圖；
[0037]圖9為圖8中反力架的結(jié)構(gòu)正視圖；
[0038]圖10為本發(fā)明的抽注氣子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0039]【附圖說明】:10—底座；11 一拉拔器；12—后加載蓋；13—過渡環(huán)；14一加載環(huán)組；15—反力蓋；16 —試件臺；17—均布加載器陣列；18 —導(dǎo)軌；19一拉桿;20—模具箱;21—反力架;22—支柱；23 —底臺；24—壓頭；25—連接桿;26—凸臺；27 —升降軌；28 —模型；29 —加壓油缸；30 —軌道支架；31 —平板拖車；32 —驅(qū)動小車；33 —縱向輸送軌；34 —轉(zhuǎn)向軌；35 —升降旋轉(zhuǎn)臺；36 —升降油缸;37 —橫向輸送軌；38 —腔內(nèi)軌;50 —安全閥；51 —控制器；52—真空栗;53 —抽氣電動球閥；54 —分球閥；55 —集裝格;56 —全開閥；57 —穩(wěn)壓閥；58 —注氣電動球閥；59—壓力傳感器;60 —溫度傳感器；120—圓形鋼板；121—加強筋架；122 —環(huán)帶鋼板；123—工程油缸；130—油路密封連接口； 131—引線密封連接口； 140—加載環(huán)；141 一支撐座；142 —滾輪；150—前反力板；151 —端蓋；152—中心孔；153 —管套；190—拉桿孔;201 —側(cè)板;210—分配梁;350 —托盤;351—限位板;352 —擋銷。
【具體實施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0041]—種煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，其模型成型子系統(tǒng)制作完成模型后，由軌道輸送子系統(tǒng)輸送至試驗腔處，試驗腔內(nèi)設(shè)液壓式多維應(yīng)力加載組件，多維應(yīng)力加載組件連接有伺服油源，伺服油源受液壓加載控制子系統(tǒng)控制，進(jìn)而控制多維應(yīng)力加載組件施加在模型上的應(yīng)力。與試驗腔連通的還有抽注氣子系統(tǒng)，用于對腔內(nèi)的氣壓進(jìn)行調(diào)控，以真實模擬煤巖工程中處于瓦斯等氣體下的工況。試驗腔內(nèi)模型的應(yīng)力變化、腔內(nèi)氣壓以及多維應(yīng)力加載組件的施力情況，均通過測試子系統(tǒng)進(jìn)行檢測并反饋至液壓加載控制子系統(tǒng)和抽注氣子系統(tǒng)。本系統(tǒng)試驗腔的結(jié)構(gòu)采用臥式，由加載框架和可拆卸式連接于加載框架一端的反力蓋15圍成腔體，加載框架和反力蓋15同軸安裝于底座10上，底座10上的導(dǎo)軌18沿加載框架的軸向設(shè)置，加載框架和反力蓋15的底部分別安裝有支撐座141，支撐座141可沿導(dǎo)軌18滑行，通過上述設(shè)置，使得加載框架與反力蓋15圍成的腔體開閉方便。在加載框架與反力蓋15相離時，模型28通過軌道輸送子系統(tǒng)送至腔內(nèi)，模型28安裝就位后，移除軌道輸送子系統(tǒng)，密封連接加載框架與反力蓋15，進(jìn)行試驗。
[0042]作為一種具體實施例，本系統(tǒng)的試驗腔如圖1、2、3所示，其加載框架主體上由后加載蓋12和加載環(huán)組14構(gòu)成，后加載蓋12、加載環(huán)組14和反力蓋15同軸可拆卸式密封連接，加載環(huán)組14內(nèi)側(cè)底部為試件臺16，模型28水平承放在其上面。在該實施例中，對模型28施加應(yīng)力的組件選用液壓式式的均布加載器。為適應(yīng)均勻以及非均勻要求的應(yīng)力加載，采取陣列排布的均布加載器陣列17對應(yīng)模型28單個面的施力。模型28—般米用方形體結(jié)構(gòu)，以模型28對應(yīng)后加載蓋12的一面為后表面，加載環(huán)組14對應(yīng)模型的左、右、上表面各設(shè)一個均布加載器陣列17，后加載蓋12對應(yīng)模型28的后表面設(shè)置一個均布加載器陣列17，反力蓋15不施力，只通過前反力板150起向后的反力作用。
[0043]加載環(huán)組14具體是由多個加載環(huán)140密封串連而成，后加載蓋12的均布加載器陣列17向前凸出，為契合安裝，在加載環(huán)組14與后加載蓋12之間增加一個內(nèi)部不帶加載器的過渡環(huán)13，用于尺寸上的匹配連接。為保證試驗腔各部件間連接的牢固性和密封性，后加載蓋12、過渡環(huán)13、加載環(huán)140和反力蓋15間均設(shè)置有定位環(huán)和密封環(huán)，且通過整周均布多個軸向的拉桿孔190，各個加載環(huán)140的拉桿孔190對齊后通過拉桿19沿軸向串接到一起。由于試驗時在應(yīng)力較大的情況下容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，影響密封性，因此拉桿19的兩端設(shè)置拉拔器11防止軸向擴張拉伸。
[0044]測試子系統(tǒng)的位移傳感器、油壓傳感器、氣體壓力傳感器、溫度傳感器和應(yīng)力傳感器均布置在試驗腔內(nèi)壁或模型上，這些傳感器的引線需要引出到腔外以信息反饋，因此，在加載環(huán)140和過渡環(huán)13的壁上開設(shè)引線密封連接口 131，引線密封連接口 131采用中部貫穿接線柱式的法蘭結(jié)構(gòu)，法蘭盤與試驗腔壁螺栓密封連接，接線柱與法蘭主體玻璃燒結(jié)密封，傳感器的引線即通過接線柱引出到腔外。均布加載器的油路需要與伺服油源連通，在加載環(huán)140和過渡環(huán)13的壁上開設(shè)油路密封連接口 130，類似結(jié)構(gòu)的也采用法蘭結(jié)構(gòu)，線柱式對應(yīng)設(shè)計為輸油管即可。
[0045]本系統(tǒng)由于噸位較大，為此，在試驗腔等框架結(jié)構(gòu)上有所考慮，加載環(huán)140、后加載蓋12以及反力蓋15，均避免采用整體鑄造的結(jié)構(gòu)，而是采用鋼板焊接成型，在減輕質(zhì)量的同時保證強度。如圖4所示的后加載蓋12，其主要由圓形鋼板120、環(huán)帶鋼板122和焊接在圓形鋼板120的后表面朝后凸出的蜘蛛網(wǎng)狀加強筋架121組成，環(huán)帶鋼板122的內(nèi)側(cè)面與加強筋架121的各端部焊接，環(huán)帶鋼板122前端與圓形鋼板120焊接。同樣的，支撐座141也通過鋼板焊接成型，支撐座141的上表面為一段圓弧帶狀，便于與加載環(huán)組14、后加載蓋12的圓弧底面貼合式螺栓緊固。圖5所示為單個加載環(huán)140的側(cè)面剖視圖。關(guān)閉試驗腔時，為拉攏加載環(huán)組14與反力蓋15，在支撐座141的底部對應(yīng)導(dǎo)軌18設(shè)置滾輪142，并且將加載環(huán)組14的支撐座141和反力蓋15的支撐座141沿導(dǎo)軌18的兩個側(cè)部分別通過一工程油缸123連接，利用工程油缸123的強大拉力，拉攏兩部件。
[0046]為方便對模型28進(jìn)行鉆孔、開挖、造縫等作業(yè)，進(jìn)一步的實施例，前反力蓋15設(shè)有中心孔152，中心孔152內(nèi)襯管套153，所述管套153的一端與前反力板150連接，管套153的另一端可拆卸式密封連接有端蓋151，如圖6所示。
[0047]軌道輸送子系統(tǒng)的一種實施例結(jié)構(gòu)，其由軌道支架30以及軌道支架30上相互垂直的橫向軌道和縱向軌道構(gòu)成，縱向軌道位于橫向軌道的上方。縱向軌道和橫向軌道分時利用轉(zhuǎn)向軌34，轉(zhuǎn)向軌34為縱向軌道與橫向軌道豎直空間看交錯的一段可轉(zhuǎn)向的軌道。縱向軌道除轉(zhuǎn)向軌34還有一端對應(yīng)模型成型子系統(tǒng)的縱向輸送軌33，平板拖車31在驅(qū)動小車32驅(qū)動下，由模型成型子系統(tǒng)一端的縱向輸送軌33前進(jìn)到轉(zhuǎn)向軌34上，此時轉(zhuǎn)向軌34為縱向軌道的一部分。橫向軌道還有腔內(nèi)軌38和橫向輸送軌37，腔內(nèi)軌38是設(shè)置在試件臺16的兩側(cè)不超出試驗腔的一段軌道，橫向輸送軌37為腔內(nèi)軌38與轉(zhuǎn)向軌34的過渡，轉(zhuǎn)向軌34在升降旋轉(zhuǎn)臺35的轉(zhuǎn)動下，轉(zhuǎn)過90°后下降，與橫向輸送軌37接軌，落在軌道支架30上。為盡量少的搬動模型28，在腔內(nèi)軌38的底部設(shè)置升降油缸36，平板拖車31行駛到試件臺16正上方后，腔內(nèi)軌38下降，平板拖車31的底板完全落在試件臺16的上表面上，不需要再撤掉平板拖車31即可進(jìn)行試驗。圖7為軌道輸送子系統(tǒng)單獨的一個結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的升降旋轉(zhuǎn)臺35除連接轉(zhuǎn)向軌34的托盤350外，還設(shè)置下降過程中的限位板351，對應(yīng)限位板351，軌道支架30上還設(shè)置擋銷352。試驗腔密封前，拆除加載環(huán)組14與反力蓋15間的橫向輸送軌37和軌道支架30等。
[0048]模型成型子系統(tǒng)的一種實施例，其包括模具箱20和反力架21，所述反力架21通過支柱22安裝于一底臺23上，反力架21包括分配梁210，所述分配梁210的上面安裝有加壓油缸29，分配梁210的下面設(shè)有壓頭24，所述加壓油缸29與壓頭24通過穿過分配梁210的連接桿25連接。所述底臺23位于壓頭24正下方的部分為一凸臺26，所述支柱22連接于分配梁210與底臺23凸臺26兩側(cè)的臺階之間，所述凸臺26的兩側(cè)與支柱22之間各設(shè)有一升降軌27，升降軌27同樣采用升降油缸36結(jié)構(gòu)，升降軌27與反力架21外的軌道輸送子系統(tǒng)接軌。所述模具箱20的底板為平板拖車31的底板，模具箱20四周的側(cè)板201可拆卸式安裝在平板拖車31的底板上，以便調(diào)節(jié)不同尺寸的模型28。平板拖車31在升降軌27處進(jìn)行模型制作時，升降軌27在下降過程中應(yīng)保證平板拖車31的底板能完全落在凸臺26上，在模型送出時，升降軌27再上升使平板拖車31能夠駛出。圖8和圖9為本實施例中模型成型子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0049]在控制方面，液壓加載控制子系統(tǒng)包括POP-M型多通道控制器以及帶有PLC控制器用于電液伺服油源開關(guān)量控制的電控柜，多通道控制器的每一控制通道對應(yīng)控制一個均布加載器的油腔壓力，實現(xiàn)均布加載器陣列的不均勻施力。可選用現(xiàn)成的成套系統(tǒng)，如杭州邦威機電控制工程有限公司的液壓加載控制系統(tǒng)系列。
[0050]在監(jiān)測方面，測試子系統(tǒng)還包括靜態(tài)應(yīng)變測試平臺和光纖光柵應(yīng)變測試平臺，每個均布加載器包括多個加載活塞，同一個均布加載器的多個加載活塞共用一個位移傳感器和一對進(jìn)、回油腔的油壓傳感器。靜態(tài)應(yīng)變測試平臺和光纖光柵應(yīng)變測試平臺兩套平臺可根據(jù)試驗需要選用其一或同時使用。靜態(tài)應(yīng)變測試平臺可選用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司的DH3816型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀;光纖光柵應(yīng)變測試平臺主要由光纖傳感器、光纖分路器、通道擴展儀、光纖動態(tài)解調(diào)儀及計算機組成。
[0051]為使試驗人員能夠直觀清楚的分析試驗過程，本系統(tǒng)還引入了可視化子系統(tǒng)，可視化子系統(tǒng)包括設(shè)置在試驗腔內(nèi)的照明設(shè)備和通信連接有數(shù)據(jù)采集器的電腦顯示器，數(shù)據(jù)采集器采集測試子系統(tǒng)中傳感器檢測到的信號。
[0052]本系統(tǒng)的抽注氣子系統(tǒng)如圖10所示，包括控制器51、用于抽氣的真空栗52和抽氣電動球閥53、以及用于注氣的二氧化碳鋼瓶和注氣電動球閥58。真空栗52和抽氣電動球閥53管道連接后再與試驗腔管道連接;二氧化碳鋼瓶提供氣源，并將數(shù)個二氧化碳鋼瓶作為一組集中到一個集裝格55中，每個集裝格55的出氣管一路并通過一個分球閥54與注氣電動球閥58連接，注氣電動球閥58再與試驗腔連接。對試驗腔還設(shè)置壓力傳感器59和溫度傳感器60，其作為檢測但愿反饋給控制器51實時參數(shù)，控制器51從而控制真空栗52和注氣電動球閥58，實現(xiàn)抽注氣功能。
[0053]為避免試驗中氣體壓力過大造成潛在危險，管路中設(shè)置安全閥50。并且分兩路設(shè)置注氣電動球閥58與試驗腔連接，一路上設(shè)穩(wěn)壓閥57，一路上設(shè)全開閥56，以保證注氣壓力的均勻性和穩(wěn)定性。常規(guī)條件下，深部煤巖具有較大的瓦斯氣體壓力，當(dāng)在模擬煤與瓦斯突出等過程中，需要做到氣體的持續(xù)和及時補充，本子系統(tǒng)提供實驗過程中的氣體抽放及補充任務(wù)，是模擬深部煤巖工程中模擬瓦斯氣體壓力所不可或缺的一環(huán)，真正意義上做到深部煤巖工程的模擬。
[0054]對應(yīng)上述試驗系統(tǒng)進(jìn)行煤巖模型試驗的方法，包括以下步驟:
[0055]a:在試驗腔內(nèi)完成應(yīng)力傳感器、應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、瓦斯壓力傳感器和聲發(fā)射傳感器的布設(shè)，上述所有傳感器所測信號為測試子系統(tǒng)實時連續(xù)采集的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度和瓦斯壓力參數(shù)。
[0056]b:在模型成型子系統(tǒng)中成型模型28，將模型28通過軌道輸送子系統(tǒng)傳送至試驗腔內(nèi)的試件臺16上，封閉試驗腔。
[0057]c:對模型28同步施加三向應(yīng)力，三向應(yīng)力按每級IMPa逐級加載至lOMPa，每級加載應(yīng)力的穩(wěn)壓時間為5?1min;并通過真空栗52對試驗腔抽真空，抽真空時間在12h以上，使試驗腔的真空度小于lOOPa，關(guān)閉真空栗52，檢驗試驗腔的氣密性，啟動測試子系統(tǒng)。
[0058]d:向試驗腔內(nèi)注入純度大于99.9 %的瓦斯氣體至氣壓5MPa，維持該氣壓48小時以上，使模型28完全吸附瓦斯氣體，完成注氣過程。
[0059]e:對反力蓋15的中心位置設(shè)置模擬開挖通道，由鉆機通過模擬開挖通道對模型28進(jìn)行模擬鉆孔，進(jìn)行水力割縫、水力壓裂和水力沖孔驗。
[0060]f:依次卸除施加到模型28的氣壓、應(yīng)力，關(guān)閉測試子系統(tǒng)，試驗結(jié)束。
[0061]模型28在模型成型子系統(tǒng)中成型，成型包括以下步驟:I)組裝好模具箱20;2)用吊車、吊籃向模具箱20內(nèi)添加物料，實驗人員進(jìn)入模具箱20內(nèi)，攤平材料并人工夯實，與此同時根據(jù)試驗方案布置好應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、瓦斯壓力等傳感器;3)實驗人員撤出模具箱20后，模具箱20通過驅(qū)動小車32沿軌道進(jìn)入反力架21下方，通過壓頭24、加壓油缸29施加5MPa的成型壓力；4)模型材料壓實后，壓頭24收回，模具箱20退出反力架21下方，人員再次進(jìn)入模具箱20內(nèi)，將已壓實的模型材料表面劃松，再重復(fù)2)、3)步驟，直至模型28制作完畢。
[0062]在對試驗腔抽真空后，根據(jù)真空壓力指示數(shù)的變化情況來判定試驗腔的氣密性，當(dāng)真空壓力在停止抽真空后的Ih內(nèi)指示數(shù)保持不變，即認(rèn)為試驗腔的氣密性可滿足試驗要求。然后啟動測試子系統(tǒng)，并開始向試驗腔注入瓦斯氣體。
[0063]反力蓋15的中心位置原本有補芯填補其中心孔152，在模型28完全吸附瓦斯后，卸除補芯形成模擬開挖通道，將鉆機調(diào)整到相應(yīng)位置，安裝好自動切換式割縫器和鉆頭，其中割縫器位于鉆頭和鉆桿之間，在連接好高壓水栗、水箱和管路后，按照設(shè)計好的鉆孔參數(shù)，采用栗壓(此時自動切換式割縫器處于關(guān)閉狀態(tài))進(jìn)行鉆孔施工，在鉆至設(shè)計深度時，停止鉆進(jìn)但保持鉆桿的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。升高栗壓，使自動切換式割縫器處于工作狀態(tài)，對模型28進(jìn)行割縫，在縫槽半徑達(dá)到設(shè)計值時，停止割縫，割縫時間根據(jù)模型28的力學(xué)參數(shù)、鉆桿轉(zhuǎn)速和工作栗壓計算得出，在完成該縫槽的割縫后，鉆桿向外退出，進(jìn)行下一個縫槽的切割，直至切割完畢。在鉆孔和切割縫槽期間，始終保持對應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、瓦斯壓力等參數(shù)的實時連續(xù)采集，直至試驗結(jié)束。在縫槽切割完成后，先關(guān)閉高壓水栗并撤出鉆桿，然后開始卸除氣壓，氣壓卸除后分10級、每級IMPa來分級卸除模型28的三向應(yīng)力，三向應(yīng)力卸除后關(guān)閉測試子系統(tǒng)，試驗結(jié)束。
【主權(quán)項】
1.一種煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，包括試驗腔、模型成型子系統(tǒng)、液壓加載控制子系統(tǒng)、測試子系統(tǒng)和抽注氣子系統(tǒng)，所述試驗腔內(nèi)設(shè)液壓式多維應(yīng)力加載組件，多維應(yīng)力加載組件連接有伺服油源，所述液壓加載控制子系統(tǒng)控制連接伺服油源，測試子系統(tǒng)與液壓加載控制子系統(tǒng)通信連接，其特征在于:所述試驗腔包括加載框架和可拆卸式連接于加載框架一端的反力蓋，所述加載框架和反力蓋同軸安裝于一底座上，所述底座上沿加載框架的軸向設(shè)置有導(dǎo)軌，所述導(dǎo)軌上安裝有可沿導(dǎo)軌滑行的支撐座，所述加載框架和反力蓋的底部分別安裝有支撐座;所述模型成型子系統(tǒng)與試驗腔之間可拆卸式連接有用于輸送模型的軌道輸送子系統(tǒng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:所述加載框架包括與反力蓋同軸的后加載蓋和加載環(huán)組，加載環(huán)組與后加載蓋、反力蓋可拆卸式密封連接且位于后加載蓋和反力蓋之間； 所述加載環(huán)組內(nèi)的底側(cè)設(shè)置有水平承放模型的試件臺，多維應(yīng)力加載組件包括設(shè)置在加載環(huán)組內(nèi)壁分別對應(yīng)模型左、右、上表面的均布加載器陣列以及后加載蓋對應(yīng)模型后表面的均布加載器陣列，反力蓋對應(yīng)模型的前表面設(shè)置有前反力板。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:所述加載環(huán)組與后加載蓋之間連接有過渡環(huán)，后加載蓋、過渡環(huán)、加載環(huán)組和反力蓋的外環(huán)部分通過拉桿沿軸向串接，所述拉桿圍繞試驗腔的軸心均勻分布有多只，拉桿的兩端設(shè)置有拉拔器，且后加載蓋、過渡環(huán)、加載環(huán)和反力蓋間均設(shè)置有定位環(huán)和密封環(huán)； 加載環(huán)組和過渡環(huán)的壁上設(shè)置有油路密封連接口和引線密封連接口，均布加載器陣列通過油路密封連接口與伺服油源連接，測試子系統(tǒng)包括由設(shè)置在試驗腔內(nèi)的位移傳感器、油壓傳感器、氣體壓力傳感器、溫度傳感器和應(yīng)力傳感器組成的傳感器測試組，傳感器測試組通過引線密封連接口與液壓加載控制子系統(tǒng)、抽注氣子系統(tǒng)通信連接。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:所述加載環(huán)組由鋼板焊接成型的加載環(huán)密封串連而成;所述后加載蓋包括圓形鋼板，圓形鋼板的后表面焊接有朝后凸出的蜘蛛網(wǎng)狀的加強筋架，后加載蓋的外側(cè)部包括一環(huán)帶鋼板，環(huán)帶鋼板前端與圓形鋼板焊接，環(huán)帶鋼板的內(nèi)側(cè)面與加強筋架的各端部焊接； 支撐座通過鋼板焊接成型，支撐座的上表面與加載環(huán)組、后加載蓋的圓弧底面均為貼合式螺栓緊固，支撐座的底部對應(yīng)導(dǎo)軌設(shè)置有滾輪，加載環(huán)組的支撐座和反力蓋的支撐座沿導(dǎo)軌的兩個側(cè)部分別通過一工程油缸連接； 所述反力蓋設(shè)有中心孔，所述中心孔內(nèi)襯管套，所述管套的一端與前反力板連接，管套的另一端可拆卸式密封連接有端蓋。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:所述軌道輸送子系統(tǒng)包括軌道支架，所述軌道支架上設(shè)置有相互垂直的橫向軌道和縱向軌道，縱向軌道位于橫向軌道的上方，縱向軌道包括一端對應(yīng)模型成型子系統(tǒng)的縱向輸送軌，所述縱向輸送軌上設(shè)置有可運行于橫向軌道、縱向軌道上的驅(qū)動小車以及承載模型的平板拖車，驅(qū)動小車驅(qū)動連接平板拖車，所述縱向輸送軌的另一端連接有轉(zhuǎn)向軌； 所述橫向軌道包括腔內(nèi)軌和橫向輸送軌，所述腔內(nèi)軌設(shè)置在試驗腔內(nèi)承載模型的試件臺的兩側(cè)，橫向輸送軌的一端與腔內(nèi)軌連接，軌道支架從橫向輸送軌的另一端延伸至轉(zhuǎn)向軌的正下方，轉(zhuǎn)向軌的正下方設(shè)置有可90°往返旋轉(zhuǎn)的升降旋轉(zhuǎn)臺，所述升降旋轉(zhuǎn)臺位于轉(zhuǎn)向軌正下方的導(dǎo)軌支架中且頂部與轉(zhuǎn)向軌的底部固定； 所述腔內(nèi)軌的底部設(shè)置有升降油缸，腔內(nèi)軌的升降行程大于平板拖車的底面在腔內(nèi)軌上升至上限時高出試件臺上表面的距離。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:所述模型成型子系統(tǒng)包括模具箱和反力架，所述反力架通過支柱安裝于一底臺上，反力架包括分配梁，所述分配梁的上面安裝有加壓油缸，分配梁的下面設(shè)有壓頭，所述加壓油缸與壓頭通過穿過分配梁的連接桿連接;所述底臺位于壓頭正下方的部分為一凸臺，所述支柱連接于分配梁與底臺凸臺兩側(cè)的臺階之間，所述凸臺的兩側(cè)與支柱之間各設(shè)有一升降軌，所述升降軌與反力架外的軌道輸送子系統(tǒng)接軌;所述模具箱的底板為平板拖車的底板，模具箱四周的側(cè)板可拆卸式安裝在平板拖車的底板上;升降軌的升降行程大于平板拖車的底面在升降軌上升至上限時高出凸臺上表面的距離。7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、6中任一項所述的煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:所述液壓加載控制子系統(tǒng)包括POP-M型多通道控制器以及帶有PLC控制器用于電液伺服油源開關(guān)量控制的電控柜，多通道控制器的每一控制通道對應(yīng)控制一個均布加載器的油腔壓力； 所述測試子系統(tǒng)還包括靜態(tài)應(yīng)變測試平臺和光纖光柵應(yīng)變測試平臺，每個均布加載器包括多個加載活塞，同一個均布加載器的多個加載活塞共用一個位移傳感器和一對進(jìn)、回油腔的油壓傳感器。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:還包括可視化子系統(tǒng)，可視化子系統(tǒng)包括設(shè)置在試驗腔內(nèi)的照明設(shè)備和通信連接有數(shù)據(jù)采集器的電腦顯示器，數(shù)據(jù)采集器與測試子系統(tǒng)通信連接。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:所述抽注氣子系統(tǒng)包括控制器、用于抽氣的真空栗和抽氣電動球閥、以及用于注氣的二氧化碳鋼瓶和注氣電動球閥，所述真空栗和抽氣電動球閥管道連接后再與試驗腔管道連接，氧化碳鋼瓶經(jīng)注氣電動球閥與試驗腔連接，控制器控制連接真空栗和注氣電動球閥。10.—種利用權(quán)利要求9所述的煤巖工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)進(jìn)行煤巖模型試驗的方法，其特征在于:包括以下步驟: a:在試驗腔內(nèi)完成應(yīng)力傳感器、應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、瓦斯壓力傳感器和聲發(fā)射傳感器的布設(shè)，上述所有傳感器所測信號為測試子系統(tǒng)實時連續(xù)采集的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度和瓦斯壓力參數(shù)； b:在模型成型子系統(tǒng)中成型模型，將模型通過軌道輸送子系統(tǒng)傳送至試驗腔內(nèi)的試件臺上，封閉試驗腔； c:對模型同步施加三向應(yīng)力，三向應(yīng)力按每級IMPa逐級加載至1MPa，并通過真空栗對試驗腔抽真空，抽真空時間在12h以上，使試驗腔的真空度小于lOOPa，關(guān)閉真空栗，檢驗試驗腔的氣密性，啟動測試子系統(tǒng)； d:向試驗腔內(nèi)注入純度大于99.9 %的瓦斯氣體至氣壓5MPa，維持該氣壓48小時以上，使模型完全吸附瓦斯氣體，完成注氣過程； e:對反力蓋的中心位置設(shè)置模擬開挖通道，由鉆機通過模擬開挖通道對模型進(jìn)行模擬鉆孔，進(jìn)行水力割縫、水力壓裂和水力沖孔驗；f:依次卸除施加到模型的氣壓、應(yīng)力，關(guān)閉測試子系統(tǒng)，試驗結(jié)束。
【文檔編號】G01N15/08GK106018105SQ201610326802
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】李曉紅, 顧金才, 盧義玉, 夏彬偉, 明治清, 葛兆龍, 湯積仁, 王海洋
【申請人】重慶大學(xué)